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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses
eines aus zwei oder mehreren Einzelkomponenten bestehenden Mediums,
insbesondere einer aus mehreren Einzelflüssigkeiten bestehenden Flüssigkeit.
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Speziell
in der Getränkeindustrie
werden oft verschiedene Flüssigkeiten,
wie zum Beispiel Wasser und mehrere Grundstoffe, in einem Mischbehälter zusammengemischt
und damit ein Fertiggetränk
hergestellt, das dann mittels einer Abfüllmaschine in einzelne Behälter abgefüllt wird.
Da beim Mischprozess verschiedene Fehlerquellen – wie zum Beispiel eine Fehlfunktion
von Ventilen, mit denen die Einzelflüssigkeiten dem Mischbehälter zugeführt werden, Druckschwankungen
in Zuführleitungen,
fehlerhafte Messung der Menge der dem Mischbehälter zugeführten Flüssigkeiten, etc. – auftreten
können,
ist es insbesondere zur Qualitätssi cherung
erforderlich, dass das Fertiggetränk nach Abschluss des Mischvorgangs
auf sein richtiges Mischungsverhältnis
kontrolliert wird. Handelt es sich bei dem Fertiggetränk nur um
ein Zwei-Komponenten-Mischgetränk,
so kann durch eine einfache Kalibrierung das Mischungsverhältnis bestimmt
werden. Bei Mischgetränken,
die aus drei oder mehr Komponenten bestehen, muss ein chemometrisches
Kalibrierverfahren angewendet werden, um das Multikomponenten-Mischungsverhältnis bestimmen
zu können.
Oftmals wird auch zur Bestimmung des richtigen Mischungsverhältnisses
eine Titer-Bestimmung vorgenommen. Jedoch ist diese Vorgehensweise
schwierig zu automatisieren und diese Titrier-Methode kann in der Regel nur für ein zweikomponentiges
Flüssigkeitsgemisch
verwendet werden.
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Ein
weiterer Parameter, der in der Getränkeindustrie oft benötigt wird,
ist der Zuckergehalt des Mischgetränks, der so genannte Brixwert.
Zu dessen Bestimmung wird oft ein Refraktometer eingesetzt, um den
Zuckergehalt online oder inline bestimmen zu können.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, dass in einfacher Art und Weise
das Mischungsverhältnis
eines aus mehreren Einzelkomponenten bestehenden Mediums, insbesondere
einer aus mehreren Einzelflüssigkeiten
bestehenden Flüssigkeit,
bestimmt werden kann.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Absorptionsmesszelle aufweist,
der das zu messende Medium zuführbar
ist, wobei der Absorptionsmesszelle eine von einer Strahlungsquelle
erzeugte, das Medium durchdringende elektromagnetische Strahlung
zuführbar
ist, dass die Vorrichtung ein Spektrometer besitzt, durch das das
Absorptionsspektrum des zu messenden Mediums erfassbar ist, und
dass das Ausgangssignal des Spektrometers einer Auswerteeinheit
zuführbar
ist, durch die aus dem gemessenen Absorptionsspektrum des Mediums
und vorbestimmten Absorptionsspektren des Mediums oder der das Medium
ausbildenden Einzelkomponenten chemometrisch das Mischungsverhältnis dieser
Einzelkomponenten bestimmbar ist.
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Die
erfindungsgemäßen Maßnahmen
besitzen nun den Vorteil, dass das Mischungsverhältnis der Einzelkomponenten,
die zusammengemischt im Medium enthalten sind, einfach dadurch bestimmt werden
kann, indem das Absorptionsspektrum dieses Mediums in der Absorptionsmesszelle
gemessen und unter Zugrundelegung der vorher bestimmten Absorptionsspektren
der Einzelkomponenten und/oder von in verschiedenen Mischungsverhältnissen
der Einzelkomponenten durchgeführten
vorherigen Kalibrierung chemometrisch bestimmt wird. Eine derartige
direkte Erfassung der Konzentration der Einzelkomponenten im Medium
besitzt den Vorteil, dass sie besonders einfach durchführbar und
vor allem automatisierbar ist.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Brixwert-Messeinrichtung,
insbesondere ein Laserrefraktometer, eingesetzt ist. Dadurch ist
es möglich,
zusätzlich
zur Bestimmung der Konzentration der Einzelkomponenten auch den
Zuckergehalt des Mediums zu bestimmen.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
die Bestimmung des Zuckergehalts durch eine Messung des Absorptionsspektrums
des Mediums in einem Wellenlängenbereich
zwischen 900 nm und 1000 nm erfolgt. Auf diese Art und Weise ist
es möglich,
den Zuckergehalt des Mediums indirekt spektroskopisch zu bestimmen.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
das Spektrometer als ein Breitbandspektrometer ausgebildet ist,
welches vorzugsweise den Wellenlängenbereich
zwischen 200 nm und 700 nm und 900 nm und 1000 nm abdeckt. Ein derartiges
Spektrometer besitzt den Vorteil, dass hierdurch so wohl die Konzentrationsbestimmung
als auch die Bestimmung des Zuckergehalts mit einer einzigen Einrichtung
ermöglicht
wird.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den beiden Ausführungsbeispielen
zu entnehmen, welche im folgenden anhand der Figuren beschrieben
werden. Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung,
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3 ein
Absorptionsspektrum eines zweikomponentigen Flüssigkeitsgemisches,
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4a-4d ein
Absorptionsspektrum eines dreikomponentigen Flüssigkeitsgemisches, sowie von
dessen Einzelkomponenten und
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5 Absorptionsspektren
einer wässrigen Lösung sowie
einer zuckerhaltigen wässrigen
Lösung.
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In 1 ist
nun eine Vorrichtung zur Bestimmung des Mischungsverhältnisses
eines Mediums 2 in Form einer aus mehreren Einzelflüssigkeiten
bestehenden Flüssigkeit 2' dargestellt.
Die Vorrichtung weist einen Mischbehälter 1 auf, dem über Zuführleitungen 4 die
im Mischbehälter 1 zur
Herstellung der gemischten Flüssigkeit 2' dienenden Einzelflüssigkeiten
zugeführt
werden. Ein im Mischbehälter 1 angeordnetes
Rührwerk 3 dient
zur Vermischung der über
die Zuführleitungen 4 zugeführten Einzelflüssigkeiten
zur Flüssigkeit 2', welche über eine
Abflussleitung 5 einer nicht näher dargestellten Abfüllanlage zuführbar ist.
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Um
nun für
die im Mischbehälter 1 befindliche
Flüssigkeit 2' die Bestimmung
des Mischungsverhältnisses
der über
die Zuführleitungen 4 zugeführten Einzelflüssigkeiten
der gemischten Flüssigkeit 2' durchführen zu
können,
wird die Flüssigkeit 2' über eine
Probeentnahmeleitung 6 mittels einer Pumpe 10,
vorzugsweise einer Kreiselpumpe, die eine besonders definierte Probenmengenzuführung erlaubt,
zu einer Absorptionsmesszelle 11 geführt. Diese Absorptionsmesszelle 11 weist
zwei einander gegenüberliegende
Kollimatoren 12a, 12b auf, deren optische Fenster
vorzugsweise derart ausgebildet sind, dass sie die bei der nachfolgend
beschriebenen Absorptionsmessung benötigten optischen Wellenlängen wenig
dämpfen.
Dem ersten Kollimator 12a wird über einen Lichtwellenleiter 13a eine
von einer Strahlungsquelle 18 erzeugte elektromagnetische Strahlung
zugeführt.
Nachdem die Strahlung die zwischen den beiden Kollimatoren 12a, 12b befindliche Flüssigkeit 2' durchquert
hat, wird sie im zweiten Kollimator 12b empfangen und über einen
weiteren Lichtwellenleiter 13b zu einem Spektrometer 19 geführt und
darin das Absorptionsspektrum gemessen. Das Ausgangssignal S des
Spektrometers 19 wird zu einer Auswerteeinheit 20 geführt, deren
Ausgangssignal AS einer Prozesssteuereinrichtung 21 zugeführt und
vorzugsweise auf einem Bildschirm 22 wiedergegeben wird.
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In
Flussrichtung der Flüssigkeit 2' ist der Absorptionsmesszelle 11 eine
Brixwert-Messeinrichtung 14 zur
Bestimmung des Brixwertes der Flüssigkeit 2' nachgeschaltet,
die im hier gezeigten Fall als ein Laserrefraktometer ausgeführt ist.
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Nach
dem Passieren der Brixwert-Messeinrichtung 14 wird die
Flüssigkeit 2' entweder durch Öffnen eines
Ventils 15a dem Mischbehälter 1 oder durch Öffnen eines
weiteren Ventils 15b einer Abflussleitung 16 zugeführt.
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Die
Vorrichtung weist des weiteren eine weitere Zuführleitung 7 auf, welche
dazu dient, zur Nullpunktkalibrierung der Absorptionsmesszelle 11 und/oder
der Brixwert-Messeinrichtung 14 Frischwasser oder eine
sonstige Kalibrierungs- oder Validierungsflüssigkeit zuzuführen. Des
weiteren ist ein Behälter 8 vorgesehen,
der zur Aufnahme einer derartigen Kalibrierungs- und/oder Validierungs- und/oder
Reinigungsflüssigkeit
dient.
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Das
in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht im
wesentlichen demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels der 1,
sodass einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen
versehen sind und nicht mehr näher
beschrieben werden. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden
Ausführungsbeispielen
ist der, dass beim zweiten Ausführungsbeispiel
die Brixwert-Messeinrichtung 14 nicht vorgesehen ist. Eine derartig
ausgestattete Vorrichtung ist für
einen Vielzahl von Anwendungsfällen,
bei denen eine Bestimmung des Brixwertes nicht gewünscht oder
nicht erforderlich ist, ausreichend.
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Um
mit der in der 2 dargestellten Vorrichtung
ebenfalls den Brixwert der Flüssigkeit 2' bestimmen zu
können,
ohne dass eine spezielle Brixwert-Messeinrichtung 14 vorgesehen
sein muss, wird bevorzugt, dass das Spektrometer 19 als
ein Breitbandspektrometer ausgeführt
ist, durch welches nicht nur die typischerweise bei der Spektroskopie von
Flüssigkeiten
auftretenden Absorptionsbanden im Bereich zwischen 200 nm und 700
nm erfassbar sind, sondern dass dieses Spektrometer 19 auch
den Wellenlängenbereich
zwischen 900 nm und 1000 nm abdeckt. Ein derartiges Spektrometer 19 muss
also dann den Spektralbereich zwischen Ultraviolett und nahem Infrarot
abdecken. Die zu einer derartigen spektroskopischen Bestimmung des
Brixwertes der Flüssigkeit 2' erforderliche
Vorgangsweise wird weiter unten noch anhand der 5 beschrieben
werden.
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Die 3 zeigt
nun drei Absorptionsspektren A1-A3 eines zweikomponentigen Flüssigkeitsgemisches,
zum Beispiel einer Mischung aus einer wässrigen Zuckerlösung und
einem Grundstoff zur Herstellung eines Mischgetränkes. Auf der Abszisse der 3 ist
die Wellenlänge
in Nanometer aufgetragen, während
auf der Ordinate ein Extinktionswert aufgetragen ist. Der in 3 dargestellte
Wellenlängenbereich
von 300 bis 700 nm stellt den bei derartigen Flüssigkeitsgemischen typischen
Bereich dar. Dem Fachmann ist aber klar ersichtlich, dass diese Angaben
nur exemplarischen Charakter besitzen und keinesfalls die Anwendbarkeit
des Verfahrens und der Vorrichtung begrenzen.
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Das
Spektrum A1 stellt das Absorptionsspektrum der aus zwei Komponenten
gemischten Flüssigkeit 2' mit der gewünschten
Konzentration des darin enthaltenen Grundstoffes dar. Das Absorptionsspektrum
A2 ist dasjenige der Flüssigkeit 2' mit einer Überkonzentration
des Grundstoffes und das Absorptionsspektrum A3 stellt das Absorptionsspektrum
der Flüssigkeit 2' mit einer Unterkonzentration des
Grundstoffes dar. Die beschriebene Vorrichtung erlaubt es somit
in einfacher Art und Weise, durch die Auswertung der Absorptionsspektren
A1-A3 eine Abweichung von der gewünschten Zusammensetzung der
Flüssigkeit 2' festzustellen,
so dass dann mittels der Prozesssteuerung 21 die entsprechenden
Maßnahmen
ergriffen werden können,
um eine Abweichung der Konzentration des Grundstoffes in der Flüssigkeit 2' vom gewünschten
Soll-Wert anzuzeigen und/oder korrigieren zu können.
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Die 4a-4c beschreiben
nun den Fall, dass die Flüssigkeit 2' aus einer wässrigen
Zuckerlösung
und drei Grundstoffen A-C zusammengemischt ist. In diesen Figuren
sind nun Absorptionsspektren A10-A30 jeweils eines Grundstoffes
A-C der Flüssigkeit 2' dargestellt
und die 4d zeigt ein Absorptionsspektrum
A' einer aus den
Grundstoffen A-C gemischten Flüssigkeit 2'.
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Zur
Gewinnung dieser Absorptionsspektren A10-A30 wird zuerst der Vorrichtung über die
Zuführleitung 7 eine
Kalibrierungsflüssigkeit,
in der Regel Wasser, zugeführt.
Das Absorptionsspektrum dieser Flüssigkeit wird dann in der Absorptionsmesszelle 11 gemessen
und im Spektrometer 19 zur Nullpunktjustierung verwendet.
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Dann
wird der Grundstoff A der Absorptionsmesszelle 11 zugeführt und
in entsprechender Art und Weise das in 4a dargestellte
Absorptionsspektrum A10 dieses Grundstoffes gewonnen. Nachdem durch
Zuführen
einer Reinigungsflüssigkeit
die Vorrichtung entsprechend gereinigt wurde, wird dann der Absorptionsmesszelle 11 der
zweite Grundstoff B zugeführt
und dessen in 4b dargestelltes Absorptionsspektrum
A20 bestimmt. In entsprechender Art und Weise wird das in 4c dargestellte
Absorptionsspektrum A30 des dritten Grundstoffes C bestimmt.
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Vorzugsweise
wir die Flüssigkeit 2' in verschiedenen
bekannten Mischungsverhältnissen
der Grundstoffe A-C der Absorptionsmesszelle 11 zugeführt und
die den verschiedenen Mischungsverhältnissen zugehörigen Absorptionsspektren
bestimmt. Die bekannten Konzentrationen der einzelnen Grundstoffe
werden dann den entsprechenden Absorptionsspektren zugewiesen.
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Nachdem
durch Kalibrierung und Bestimmung der Absorptionsspektren A10-A30
die Vorrichtung entsprechend vorbereitet wurde, wird über die Probeentnahmeleitung 6 dem
Mischbehälter 1 die aus
den Grundkomponenten A-C, welche dem Mischbehälter 1 über die
Zuführleitungen 4 zugeführt wurde,
gemischte Flüssigkeit 2' entnommen und
deren in 4d dargestelltes Absorptionsspektrum
A in der Absorptionsmesszelle 11 gemessen und im Spektrometer 19 ausgewertet.
Da die Absorptionsspektren A10-A30 der Grundstoffe A-C bekannt sind, kann
aus dem in 4d dargestellten Absorptionsspektrum
A' unter Zugrundelegung
der Absorptionsspektren mittels bekannter chemometrischer Verfahren
die Konzentration der jeweiligen Grundstoffe A-C in der Flüssigkeit 2' bestimmt und
eine Abweichung der einzelnen Konzentrationen von ihren vorgegebenen
Soll-Werten bestimmt und/oder korrigiert werden.
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Die
beschriebene Vorrichtung erlaubt somit in einfacher Art und Weise,
aus einfach zu bestimmenden Absorptionsspektren A1-A3, A10-A40 das Mischungsverhältnis einer
aus einem oder mehreren Grundstoffen A-C zusammengesetzten Flüssigkeit 2' direkt zu bestimmen,
ohne dass man hierbei auf aufwendige und fehlerbehaftete indirekte
Messungen angewiesen ist.
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Die
vorstehend angesprochene spektroskopische Bestimmung des Brixwertes,
also des Zuckergehalts der Flüssigkeit 2', erfolgt nun
in vorteilhafter Art und Weise ebenfalls durch die Messung des Absorptionsspektrums
der Flüssigkeit 2' im Bereich
zwischen 900 nm und 1000 nm. Sie beruht auf der Erkenntnis, dass
eine Verdrängung
von Wasser durch den Zucker stattfindet. Durch diese Verdrängung sinkt
der Extinktionswert der wässrigen
Lösung
in diesem Bereich. Der Zuckergehalt der Flüssigkeit 2' ist dadurch
indirekt messbar. Wir verweisen auf 5, in der
ein Absorptionsspektrum Z1 einer wässrigen Lösung und ein Absorptionsspektrum
Z2 einer wässrigen
Zuckerlösung
dargestellt ist.